廖永容 楊曉梅

(寧夏大學(xué)物理與電子電氣工程學(xué)院,寧夏 銀川 750021)

交變電流是高中物理電磁學(xué)部分的重點(diǎn)也是學(xué)生容易混淆的難點(diǎn),新課標(biāo)要求高中學(xué)生能夠通過(guò)實(shí)驗(yàn)認(rèn)識(shí)交變電流,并能用公式和圖像描述正弦交變電流．因此通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察交變電流的圖像和交變電流大小、方向的變化得出交變電流的變化規(guī)律就成為了學(xué)習(xí)交變電流的必要手段,而人教版高中物理選修3-2第五章第一節(jié)用手搖發(fā)電機(jī)探究交變電流的變化規(guī)律,實(shí)驗(yàn)儀器本身存在一些問(wèn)題且實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象也明顯存在不足．新設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)與手搖發(fā)電機(jī)實(shí)驗(yàn)相比有三個(gè)優(yōu)點(diǎn):一是法拉第電磁感應(yīng)演示儀利用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)線圈轉(zhuǎn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)勻速,能通過(guò)改變輸入端的電壓值調(diào)控線圈轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度,兩個(gè)平行的電磁鐵代替永磁體產(chǎn)生勻強(qiáng)磁場(chǎng);二是在電磁感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的輸出端接入DIS數(shù)字化信息系統(tǒng)(電壓傳感器、數(shù)據(jù)采集器和電腦),可以利用數(shù)字化通用軟件的數(shù)字、指針和組合圖形等顯示窗口實(shí)現(xiàn)對(duì)交變電流的可視化教學(xué);三是利用自制LED燈板模擬電磁鐵產(chǎn)生的磁感線,由此觀察線圈在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)磁通量的變化,從而判斷線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小的變化,結(jié)合右手定則即可判斷線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向．

1 原實(shí)驗(yàn)的不足

(1) 在外電路中接入反向并聯(lián)的LED燈雖能判斷通過(guò)手搖發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電流的方向發(fā)生周期性的變化,卻無(wú)法判斷電流大小的變化,更無(wú)法觀察其圖像．

(2) 根據(jù)人教版高中物理選修3-1第3章“磁場(chǎng)”中“幾種常見(jiàn)的磁場(chǎng)”介紹的兩個(gè)平行的異名磁極間產(chǎn)生勻強(qiáng)磁場(chǎng),很明顯原裝置采用的兩蹄形磁鐵并不平行,只是教學(xué)時(shí)一般將其產(chǎn)生的磁場(chǎng)默認(rèn)為勻強(qiáng)磁場(chǎng)處理,且學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)只能抽象的判斷磁場(chǎng)的方向．

(3) 人手搖動(dòng)發(fā)電機(jī)無(wú)法實(shí)現(xiàn)讓線圈以恒定的角速度轉(zhuǎn)動(dòng)．

2 發(fā)電機(jī)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

圖1 線圈逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)平面圖

2.2 改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)

(1) 實(shí)驗(yàn)裝置采用法拉第電磁感應(yīng)演示儀如圖3所示,該裝置采用直流電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子實(shí)現(xiàn)線圈的近似勻速轉(zhuǎn)動(dòng),只需調(diào)節(jié)輸入直流電動(dòng)機(jī)電壓即可控制線圈在磁場(chǎng)中勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度．此外,在電磁鐵輸入端輸入同向電流后兩塊相同的平行電磁鐵之間會(huì)形成如圖4所示的磁場(chǎng),由于線圈的長(zhǎng)邊小于電磁鐵的直徑,能保證線圈處于勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,還能通過(guò)改變電源電壓的輸入值來(lái)改變兩電磁鐵間的磁場(chǎng)強(qiáng)度．

圖3 法拉第電磁感應(yīng)演示儀

圖4 兩平行電磁鐵間的磁場(chǎng)分布平面圖

(2) 改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)電路設(shè)計(jì)如圖5所示,將兩個(gè)學(xué)生電源分別與演示儀的兩個(gè)輸入端連接,在輸出端接入DIS數(shù)字化信息系統(tǒng)(電壓傳感器、數(shù)據(jù)采集器和電腦)．

圖5 改進(jìn)后實(shí)驗(yàn)的實(shí)物圖

(3) 在電磁感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的輸出端接入DIS數(shù)字化信息系統(tǒng)(電壓傳感器、數(shù)據(jù)采集器和電腦)代替原實(shí)驗(yàn)中的二極管,應(yīng)用數(shù)字化通用軟件的數(shù)字、指針和組合圖形等顯示窗口分別顯示線圈轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)電過(guò)程中輸出端的電壓數(shù)值的變化、指針的偏轉(zhuǎn)情況和電壓波形圖．按照?qǐng)D6的方式連接電路閉合開(kāi)關(guān)后,只需要打開(kāi)電腦上的數(shù)字化通用軟件記錄數(shù)據(jù),根據(jù)需要切換到不同的窗口即可．如圖6-8各個(gè)窗口顯示的數(shù)據(jù)變化情況．

圖6 數(shù)字顯示窗口電壓數(shù)值變化

圖7 指針顯示窗口指針偏轉(zhuǎn)情況

圖8 組合圖形窗口電壓波形圖

由圖6、7知,數(shù)字窗口顯示的電壓數(shù)值從0開(kāi)始在區(qū)間(-3 V,3 V)內(nèi)呈現(xiàn)周期性的變化,指針窗口顯示指針在零刻線處左右擺動(dòng),這兩個(gè)現(xiàn)象說(shuō)明感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小和方向呈現(xiàn)周期性變化,這與用右手定則分析出線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小和方向呈周期性變化一致,說(shuō)明實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與理論分析一致．圖8是組合圖形窗口顯示的電壓波形圖,為了方便選取其中一段進(jìn)行觀察,發(fā)現(xiàn)電壓的波形幾乎為正弦曲線,這與理論計(jì)算得出的電壓u=Umsinωt的圖像一致．

圖9 LED燈板的安裝

(4) 將自制的LED燈板(在直徑為14cm的圓形白色紙板上等間隔串并聯(lián)LED燈,該紙板的直徑略大于電磁鐵的直徑)固定在右邊的電磁鐵上并接通電源模擬勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感線．在透明線圈盒上兩面分別貼兩張白色紙片(7cm×8cm)使之剛好能完全將線圈蓋住,以便觀察光斑,當(dāng)線圈勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),用打在白紙片上的紅色光斑數(shù)目的變化表示通過(guò)閉合線圈的磁通量的變化,如圖10所示,根據(jù)右手定則即可判斷出線圈上感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向．

圖10 穿過(guò)線圈的磁通量

2.3 改進(jìn)后實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)

(1) 新課標(biāo)明確提出學(xué)校應(yīng)該充分的利用已有的實(shí)驗(yàn)器材,努力開(kāi)發(fā)適合本校情況的實(shí)驗(yàn)課程資源．該實(shí)驗(yàn)在高中課本上設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn),應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室已有的器材代替課本上的器材,不僅成功的產(chǎn)生了勻強(qiáng)磁場(chǎng),而且實(shí)現(xiàn)了線圈的準(zhǔn)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)和轉(zhuǎn)速的可控性,源于課本而高于課本,對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)際動(dòng)手能力有一定的幫助．

(2) 本實(shí)驗(yàn)應(yīng)用了DIS數(shù)字化信息系統(tǒng)(電壓傳感器、數(shù)據(jù)采集器和電腦)多功能窗口,不僅使用電壓傳感器代替課本上使用的燈泡、二極管等讓學(xué)生對(duì)交流電產(chǎn)生感性認(rèn)識(shí),而且通過(guò)線圈轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中電壓數(shù)值的變化、指針的偏轉(zhuǎn)和電壓波形圖等使交流電可視化,實(shí)驗(yàn)效果更明顯直觀．

(3) 用自制的LED燈板模擬勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感線,通過(guò)線圈勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)打在白色紙片上的紅色光斑的數(shù)目表示磁通量的變化,結(jié)合右手定即可判斷感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向,教學(xué)中讓學(xué)生動(dòng)手制作LED燈板可以讓學(xué)生深刻理解串并聯(lián)的知識(shí)．